Uberblick Verteilte Synchronisation Zeit in verteilten Systemen Logische Uhr Synchronisation Aufgabe 6 VS- Ubung (SS15) Verteilte Synchronisation 10 1

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1 Überblick Verteilte Synchronisation Zeit in verteilten Systemen Logische Uhr Synchronisation Aufgabe 6 VS-Übung (SS15) Verteilte Synchronisation 10 1

2 Zeit in verteilten Systemen Ist Ereignis A auf Knoten X passiert bevor B auf Y passiert ist? Beispiele: Internet-Auktion, Industrie-Steuerungen,... Prinzipiell keine konsistente Sicht auf Gesamtsystem möglich Unabhängigkeit von Ereignissen Informationsaustausch mit Latenzen verbunden Nur näherungsweise Lösungen möglich Bestes Verfahren abhängig von Einsatzgebiet und notwendigen Eigenschaften VS-Übung (SS15) Verteilte Synchronisation Zeit in verteilten Systemen 10 2

3 Echtzeit-basierte Uhren Nutzung eines gemeinsamen Zeitsignals Auflösung beschränkt Schwierig über größere Entfernungen Ausbreitungsgeschwindigkeit max. 20 cm/ns, 1 1GHz = 1ns Nachrichten mit Zeitstempel lokaler, physikalischer Uhren versehen Wenig Kommunikationsaufwand Ohne Synchronisation: Zunehmende Abweichungen Kombination verschiedener Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit VS-Übung (SS15) Verteilte Synchronisation Zeit in verteilten Systemen 10 3

4 Synchronsation von Echtzeit-Uhren: NTP, PTP Stellen lokaler Uhr basierend auf Referenz-Uhr In der Praxis verwendete Protokolle: Network Time Protocol (NTP) Precision Time Protocol (PTP) Prinzipieller Ablauf: t 1 t 4 Zeit Server Sync Delay Request Delay Response t 2 t 3 Client Berechnung von Umlaufzeit & Verzögerung anhand von Zeitstempel Annahmen: Laufzeiten symmetrisch und stabil Genauigkeit über Internet in der Größenordung 10 ms VS-Übung (SS15) Verteilte Synchronisation Zeit in verteilten Systemen 10 4

5 White Rabbit im CNGS Experiment Messung von Neutrino-Flugzeit zwischen CERN und LNGS (732 km) Möglichst genaue Zeitsynchronisation zwischen Standorten White Rabbit: Kombination verschiedener Techniken Synchronous Ethernet über Glasfaser Atom-Uhren als Taktgeber Precision Time Protocol (PTP) mit Hardware-Unterstützung Global Positioning System (GPS) Ausgleich von Temperaturschwankungen durch ständige Phasen-Messung Genauigkeit: 0,5 ns, Präzision: 10 ps (5 km Teststrecke). VS-Übung (SS15) Verteilte Synchronisation Zeit in verteilten Systemen 10 5

6 Logische Uhren Grundidee: Kausale Zusammenhänge entstehen durch gegenseitige Beeinflussung, d.h. Nachrichtenaustausch in verteiltem System Modell: Untereinander kommunizierende Prozesse P i versehen auftretende Ereignisse a mit logischem Zeitstempel C i a Uhrenbedingung: Wenn Ereignis b aufgrund von a aufgetreten ist (a b), muss die Relation C i a < C j b gelten Eigenschaften: transitiv, asymmetrisch Striktordnung Umkehrschluss nicht möglich: Aus C i a < C j b folgt nicht a b! Erweiterte Ansätze können zusätzliche Eigenschaften garantieren Totalordnung Zuverlässige Unterscheidung abhängiger Ereignisse ( Vektoruhr) VS-Übung (SS15) Verteilte Synchronisation Logische Uhr 10 6

7 Uhrenbedingung von Lamport Uhrenbedingung im Kontext von kommunizierenden Prozessen: 1. Aufeinanderfolgende Ereignisse innerhalb eines Prozesses erhalten streng monoton steigende Zeitstempel 2. Senden einer Nachricht muss vor deren Empfang passiert sein, daher muss C i Senden < C j Empfang gelten Regeln für Implementierung: 1. Die logische Uhr C i eines Prozesses P i muss zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ereignissen immer inkrementiert werden 2. Wird eine Nachricht von Prozess P j empfangen und deren Zeitstempel C i Senden ist größer oder gleich dem Wert der Uhr C j des Prozesses P j, muss die Uhr auf einen Wert größer C i Senden erhöht werden. VS-Übung (SS15) Verteilte Synchronisation Logische Uhr 10 7

8 Uhrenbedingung von Lamport Kein genereller Zusammenhang mit Ablauf physikalischer Zeit Kein gleichmäßiger Verlauf Abfolge von Ereignissen nach logischer Zeit nicht zwangsläufig identisch mit physikalischem Auftreten Ereignis Phys. Zeit Prozess 3 Prozess Prozess 1 VS-Übung (SS15) Verteilte Synchronisation Logische Uhr 10 8

9 Erweiterungen Lamport-Uhr Für viele Anwendungen Totalordnung wünschenswert Wenn Zeitstempel C i a und C j b gleich, gilt weder C i a < C j b, noch C j b < C i a Beliebiges determiniertes Verfahren zur Festlegung möglich Am einfachsten: Global eindeutige Prozess-ID entscheidet Keine Beeinflussung der Aussage bezüglich kausaler Zusammenhänge Implementierung von Relationen in Java mittels Comparable public interface Comparable<T> { public int compareto(t obj); } Methode compareto() liefert Zahl abhängig von Relation Negativ : this < obj 0 : this = obj, entspricht equals() Positiv : this > obj VS-Übung (SS15) Verteilte Synchronisation Logische Uhr 10 9

10 Synchronisation in verteilten Systemen Koordination von Zugriffen auf gemeinsame Betriebsmittel in verteilten Systemen notwendig Verschiedene Möglichkeiten: Zentraler Koordinator Koordination untereinander Exklusiver Zugriff äquivalent zur Bestimmung totaler Ordnung: Einigung auf Reihenfolge der Zuteilung der Ressource VS-Übung (SS15) Verteilte Synchronisation Synchronisation 10 10

11 Zentraler Koordinator Zentraler Prozess ist zuständig für Koordination Anfragen werden geordnet und in Reihenfolge freigegeben Nachrichtenfolge: REQUEST, REPLY, RELEASE Zeit REPLY REPLY Kritischer Abschnitt Koordinator REQUEST RELEASE Prozess 1 REQUEST RELEASE Prozess 2 VS-Übung (SS15) Verteilte Synchronisation Synchronisation 10 11

12 Lock-Protokoll von Lamport Idee: Ausnutzen der Totalen Ordnung über Zeitstempel von logischer Uhr bezüglich Lock-Anfragen Voraussetzungen: FIFO-Protokoll: Nachrichten eines Absenders müssen immer in der Reihenfolge ankommen in der sie abgeschickt wurden Zuverlässiger Nachrichtenkanal Toleriert ohne weitere Maßnahmen keine Ausfälle Ablauf: 1. REQUEST via Broadcast an alle Prozesse versenden 2. Warten bis eigene Anfrage vorne in der Warteschlange steht und kein anderer Prozess sich vor dem eigenen Eintrag einreihen kann 3. Kritischen Abschnitt ausführen 4. Broadcast der RELEASE-Nachricht zum Freigeben des Locks VS-Übung (SS15) Verteilte Synchronisation Synchronisation 10 12

13 Lock-Protokoll von Lamport Warteschlangenverwaltung: Einreihen von eingehenden REQUEST-Nachrichten (auch selbst gesendete) Sortierung nach totaler Ordnung über Zeitstempel logischer Uhr Entfernen des kleinsten Elements bei Empfang von RELEASE (auch selbst gesendete) Einreihen vor eigenem Eintrag nicht mehr möglich wenn von allen Prozessen bereits Nachricht mit größerem Zeitstempel als der eigene REQUEST empfangen wurden Merken des jeweils zuletzt empfangenen Zeitstempels je Prozess FIFO-Eigenschaft garantiert streng monotonen Anstieg VS-Übung (SS15) Verteilte Synchronisation Synchronisation 10 13

14 Lock-Protokoll von Lamport Empfang einer REQUEST-Nachricht von anderem Prozess muss zudem mit ACK-Nachricht an Absender quittiert werden Notwendig um Fortschritt zu garantieren Dient lediglich Erhöhung und Übermittlung logischer Uhr Bestätigung durch Nachrichtenaustausch auf Anwendungsebene implizit möglich Eigenschaften: RELEASE-Nachrichten sind total geordnet Erweiterungsmöglichkeiten bezüglich Fehlertoleranz, da REQUEST-Warteschlange implizit repliziert Geringe Latenzen bei häufig beanspruchten Locks Allerdings größeres Nachrichtenaufkommen als bei zentralem Koordinator VS-Übung (SS15) Verteilte Synchronisation Synchronisation 10 14

15 Lock-Protokoll von Lamport Beispiel: Kritischer Abschnitt Ereignis Phys. Zeit REQUEST 1 2 ACK RELEASE 8 Prozess 3 ACK 2 Prozess ACK Prozess 1 VS-Übung (SS15) Verteilte Synchronisation Synchronisation 10 15

16 Protokollstapel Grundlage für die zu implementierenden Protokollschichten bildet Basis mit FIFO-Garantien JGroups NAKACK garantiert FIFO nur bezüglich Broadcast-Nachrichten Bereitgestellte FIFOUnicast erfüllt Eigenschaft Zu implementieren: Schichten für verteilte Synchronisation zwischen FIFO-Protokoll und Anwendung Testfall VSLamportLock VSLamportLockProtocol VSLamportLockHeader Anwendungsebene Protokollschichten VSLogicalClockProtocol VSLogicalClockHeader FIFOUnicast JGroups NAKACK... VS-Übung (SS15) Verteilte Synchronisation Aufgabe

17 Lock-Protokoll: Benutzerschnittstelle Implementierung in zwei Teilen: Benutzerschnittstelle und Protokollschicht Benutzerschnittstelle bietet Anwendungen blockierenden lock()-aufruf und unlock() zum Entsperren Implementierung des blockierenden Verhaltens durch lokale Semaphore oder wait()/notify() Interaktion mit VSLamportLockProtocol mittels Suchen der Klasse im Protokollstack und Registrieren des Objekts für Rückrufe JChannel channel; VSLamportLockProtocol mylockprotocol = (VSLamportLockProtocol)channel.getProtocolStack().findProtocol(VSLamportLockProtocol.class); VS-Übung (SS15) Verteilte Synchronisation Aufgabe

18 Lock-Protokoll: Protokollschicht Implementierung in Klasse VSLamportLockProtocol Trennung Protokoll-interner Nachrichten von Nachrichten für höhere Protokollschichten Header zur Unterscheidung Senden interner Nachrichten durch Aufruf von down prot.down() aus up() heraus Interne Nachrichten nicht an höhere Schichten weiterreichen return null; Eigene RELEASE-Nachrichten beim Freigeben des Locks sollten lokal und synchron aus der Warteschlange entfernt werden, da es sonst zu Problemen bei schnell aufeinanderfolgenden Lock-Anforderungen kommt VS-Übung (SS15) Verteilte Synchronisation Aufgabe

19 Logische Uhr Implementierung in Klasse VSLogicalClockProtocol Zeitstempel werden in Form von Header an jede gesendete Nachricht angefügt Protokollschichten können nebenläufig ausgeführt werden, daher ist Synchronisation notwendig! Nachrichten können sich auch innerhalb des Protokollstacks überholen Statische Methode getmessagetime() soll Extrahieren des Zeitstempels aus einer Nachricht ermöglichen VS-Übung (SS15) Verteilte Synchronisation Aufgabe

20 Test-Anwendung Bereitgestellte Anwendung erlaubt einfaches Testen der Implementierung Konfiguration wie bei Übungsaufgabe 5: Zu verwendende Rechner in Datei my hosts ablegen Start im CIP-Pool mit distribute.sh Skripte müssen im Basisverzeichnis der eigenen Paket-Hierarchie abgelegt werden (Eclipse: bin-verzeichnis) Zwei verschiedene Testfälle: Einfacher Fall (Aufruf ohne Parameter) : In Endlosschleife Beantragen und Freigeben Darf nicht stehen bleiben Komplexer Fall (mit Parameter fancy) : Gegenseitiges Umbuchen von Beträgen zwischen Konten Sum is -Zeile darf sich nicht ändern (1000 pro Replikat) Darf nicht stehen bleiben VS-Übung (SS15) Verteilte Synchronisation Aufgabe

21 Quellenangaben Leslie Lamport. Time, clocks, and the ordering of events in a distributed system. Commun. ACM, 21: , July VS-Übung (SS15) Verteilte Synchronisation Aufgabe